“南海I号”船载铁器与相关问题研究
席光兰 万鑫 林唐欧[1]
前言
“南海I号”是1987年8月发现于广东省阳江市东平港以南约20海里处的一艘南宋时期木质商船，是迄今为止发现的宋代海上沉船中船体最大、保存最完整的远洋贸易商船。2007年对“南海I号”沉船实施了整体打捞。沉船从2013年12月发掘至今，基本弄清楚船内所装载的货物及分布的情况。通过对沉船出水文物的整理与统计，研究者发现其中铁器的数量巨大，数量仅次于陶瓷器，因此也是重要的船载商品。船载铁器类型比较简单，主要以各类铁条、铁锅为主，其中铁条数量较铁锅要多。在古代海外贸易中，金属原材料或金属制品是国际市场的重要商品，用以制作生活用品、武器和农具等。[2]此外，各类金属也是上等的压舱货。
本文通过对船载铁器进行科学分析检测，探讨铁器的制作工艺；将国内外沉船出水铁器与“南海I号”的船载铁器进行比较和分析，结合宋代对海外贸易制定的市舶条例，分析这些铁器的功能和用途，为探讨宋代矿冶业及其金属贸易提供有价值的信息和线索[3]，进而探讨海上丝绸之路的铁器贸易和金属技术传播等相关问题。
一 “南海I号”船载铁器简述
“南海I号”船体残长22.1米、宽9.35米，整船共有15个舱室，船舱残损不存，另14个舱室保存完好（分别编号为C2～C14）。[4]截至2017年12月出水铁器总重量达60余吨，如果再加上前期水下考古调查及整体打捞时出水的铁器凝结物总重量估计超过80余吨。
图1 铁器在船舱内的装载位置
资料来源：作者林唐欧绘制。
船载铁器在船舱内分布如图1所示。C2舱主要放置铁条，竖向排列，集中在船舱中间；C3舱放置铁条于中间的两边，但不及两边的船舷，横向排列，中间则放置陶罐；C4舱以中间为主，把舱分成前后两部分，前面放置瓷器，后面放置（板）条形铁器，横向排放；C5舱内铁器置于中间的两边，不及两边的船舷，以（板）条形铁器为主加少量小型铁锅；C6舱放置在以主桅杆为中心的两边，左边为铁锅，横向排列，右边为铁条；C7舱亦以主桅杆为中心，放置在两边，皆为（板）条形铁器，成捆整齐码放，数量最多，面积最大，堆放最高；C8舱左侧靠船舷有少量铁条；C11只在中间堆放铁条，两边用薄木板固定，上面凝结着大量的银铤；C12舱中间及左侧堆放铁锅和少量铁条。在“南海I号”全面发掘时发现，铁器并不是全部装载在甲板或陶瓷器之上，在C8、C11、C12舱室中至舱底都装载了铁器。
从铁器在船内的装载位置大致看出，铁条主要集中装载在C2、C3、C4、C5、C6和C7 舱室，其中C5舱室还有少量铁锅发现；C6舱室左室装载铁锅，右侧舱室装载铁条；C11舱中部舱室装载铁条；C12舱中间及左侧舱室装载铁锅和少量铁条。各舱室中尤以C6和C7舱即本船的主桅杆附近装载量最为密集。
铁条一般由 40件左右为一捆，用藤条捆扎成圆柱形，两捆为一组。每组在前、中、后三端分别用竹篾、草绳捆扎，在捆、组之间还垫衬了草席、竹席等编织物（见图2）。铁锅则成组相摞，一般为大小、形制相同的铁锅层摞在一起，倒扣于船板上，铁锅之间也常见藤条、竹席等捆绑和填充物（见图3）。发现的藤条、竹席等捆扎、填充物，可知所有铁器在装载前都进行了精心捆扎、包装，然后合理地装载到船上。
图2 铁条
资料来源：作者现场调查拍摄。
图3 铁锅凝结物
资料来源：作者现场调查拍摄。
由于铁器在海水的长期腐蚀下，发生了化学、物理等变化而与其周围的船木、瓷器、海洋生物、海泥等凝结在一起，从而形成坚固的凝结物。
二 船载铁器的科学分析
（一）样品与分析方法
采集“南海I号”铁器样品5件（见图4），分别制成7个分析试样（见表1）。铁锅直径为0.3米、0.4米和0.6米不等，所选铁锅样品为残片，质地疏松，锈蚀严重，残留铁基体较少。铁条长度为0.2米至0.4米，横截面为梯形，样品表面被凝结物覆盖，但容易去除，铁基体保留较完整。
表1 铁器分析试样
图4 “南海I号”铁器样品（1-4为铁锅样品，5为铁条）
资料来源：作者拍摄。
用金相显微镜（莱卡DM4000M）对样品进行了金相观察与分析，并用化学法对铁器进行了成分分析。
（二）分析结果
通过观察铁制品的金相组织，可以判定器物的材质，了解制作工艺。金相组织见图5和图6，分析结果见表2。由金相分析可知，5件铁器中，有4件铁锅样品为白口铁和1件铁条样品为钢。
图5 铁锅样品金相组织
资料来源：作者拍摄。
图6 铁条样品金相组织
资料来源：作者拍摄。
为了解“南海I号”沉船出水铁器组成成分，进一步探讨铁器的制作工艺，我们对样品进行了化学成分分析，结果如表2所示，金相组织分析结果如表3所示。
表2 “南海I号”沉船出水铁器化学成分分析结果
依据铁碳相图，工业纯铁（熟铁）的碳含量小于0.0218%，钢的碳含量为0.0218%～2.11%，由此可见船载中的铁条为钢，亚共析钢的碳含量小于0.77%，结合金相组织分析可知铁条为亚共析钢。[5]铸铁的碳含量大于2.11%，因此铁锅显然为铸铁，再结合金相组织分析可知铁锅为白口铸铁。
表3 5件铁器金相组织分析结果
三 讨论
（一）铁器制作工艺
宋代是我国古代社会经济高度发达、科学技术空前繁荣的时期，矿冶业也取得了巨大的进步。宋代的矿冶技术取得了很大发展，达到了一个很高的技术水平。[6]采矿技术多采用“烧爆法”[7]，而煤燃料[8]、蒸矿炉[9]、木风箱[10]等也广泛应用于冶铁生产，铁的产量也有了很大提高。此外灌钢法[11]等炼钢技术的应用，改进了铁制品的种类和质量。宋代矿冶业的管理较前代更为完备和严格，铁制品需求量的增加及铁器贸易的发展，共同促进了冶铁业的迅速发展。
从目前的考古资料来看，在公元前8世纪相当于春秋早期，中国比其他国家早近1800年使用了含碳2.11%以上的生铁并铸成工具。白口铁虽耐磨，但脆而硬，强度不够。从理论上来说，生铁是含碳2.11%以上的铁碳合金，由液态冷却到1146℃全部凝固，部分（当含碳大于或小于4.3%）或全部（当含碳为4.3 %）形成奥氏体和渗碳体的共同结晶，这种共晶产物习称莱氏体，这种性脆而硬的生铁称为“白口铁”。[12]因此，为了改善生铁的劣势性能，技术逐步改进并发明了将白口铁长期加热的铸铁退火技术[13]，这种进步至迟在战国早期已发生。另外，柯俊[14]、黄维[15]等对部分宋代铁器进行了分析，发现铁器的含硫量都超过0.1%，并把含硫量都超过0.1%作为使用煤燃料的重要判据，证实了宋代铁器生产已经使用煤作为燃料。
结合前述铁器的金相组织和化学成分的实验结果，铁锅化学成分的硫量几乎都超过0.1%，可以判定铁锅生产的熔炼过程中使用了煤作为燃料，且为通过铸造所获得产品，铁锅材质为白口铁。至于铁条，其材质则为亚共析钢，金相组织晶粒出现了变形和拉长，说明其在铸后进行了锻打，碳含量从尾部到尖部呈增加趋势，钢的硬度也随之增加，而硅和锰含量在中部较高；通过锻打，钢中的硫等逐渐被去除减少，改善了钢的性能。尖部晶粒较细小，尾部晶粒较粗大，有退火处理迹象。总之，铁条使用了铸后热锻工艺，熔炼过程中使用了煤作为燃料，材质为亚共析钢。由此可见，当时的工匠已经掌握了先进的铁器生产技术，并有意识地根据铁器的使用需求控制各组分的多少，通过热处理工艺控制钢的内部组织结构，从而实现铁制品优质使用性能的要求。
（二）铁条的功能性质
“南海I号”发现大量的铁条，对其定名及用途有多种看法，一些研究者称其为铁钉，也有专家进一步认为这是造船或修船用的铁钉。这些铁条的类型多样，且长短、宽厚的形制规格也不尽相同。根据铁条的形制进行分类，可以分为A、B、C三种（见图7）[16]。
2016年3月出水了一批疑似为刀柄的木器（见图8），高0.12米左右，整体呈上下两段，下段为握把，上段呈椭圆形，在刀柄顶部开有刀身插孔，插孔长约0.03米、宽约0.01米、深约0.03米。其开孔大小恰与片状坯件顶部的尺寸近似。这类木器有散落出水，也有扎为圆盘状成捆出水的，其出水地点均在铁条凝结物内，与铁条坯件的关系密切。
2017年7月在C2a舱室获得了两件保存相对完整的刀具（2017NHIC02a①：0081、0082），存有刀身及刀把。其出水地点均在装载铁条坯件之间。编号2017NHIC02a①：0081的刀具的刃部腐蚀严重，但器物的基本形状保存完好，刀身与刀把连接坚固，并且在木把细小处加固有铁箍，总长0.396米，把长0.125米，最宽为0.052米，刀身最厚处为0.007米，其形状和出水的木柄、铁条等的长度与厚度几乎相同（见图9）。
发掘报告中认为片状铁条为兵器的可能性更大，根据这些铁条的形制并结合相关线索，由此判断这些铁条为半成品，故称其为坯件，进而推测其为兵器的坯件。[17]
图7 出水铁条形制
资料来源：作者林唐欧绘制。
图8 “南海I号”沉船出水刀柄及其形制
资料来源：作者调查拍摄、绘制。
图9 “南海I号”出水完整刀
资料来源：作者调查拍摄、绘制。
1996年，一艘沉船在位于邦加岛和雅加达之间的爪哇海中被打捞出来，后命名为爪哇海沉船，根据香料的碳十四测年并配合陶瓷的黏度特征，研究者判断其沉没于13世纪中后期，即南宋时期，据悉船上也装载了大量的铁制品，如铁条（iron bars）。经研究显示，铁条为梯形截面，并沿其长度逐渐变细，典型铁器的长度为0.04米（见图10）。多根铁条用两根藤条捆绑成一捆，每根铁条被认为用一种石灰化合物的白色材料隔开，这种化合物由石灰和桐油组成，这将是防止铁制品在仓库和从中国到爪哇的长途航程中发生腐蚀的绝佳方法。这种铁条可能会在到达目的地后被锻造成单面刀，类似于现在的帕兰砍刀（马来人用的带鞘砍刀）。[18]
图10 爪哇海沉船出水铁条
资料来源：William M.Mathers and Michael Flecker，Archaeological Report：Archaeological Recovery of the Java Sea Wreck，p.67。
宋元时期中国向海外诸国出口的货物，种类繁多。向南海（东、西洋）地区出口的货物除陶瓷器、纺织品外，金属和金属制品也是重要的出口货物。铁（铁条、铁块）和铁器（铁鼎、铁锅、铁碗）是重要的出口物资，铁和铁器的出口，对于南海（东西洋）地区生产的发展，起了有益的作用。[19]
20世纪70年代以来，南海及周边海域陆续发现了9～14世纪的古代沉船30余艘。作为直接反映海上贸易过程的证据，沉船船体、沉没地点以及其上运载的船货，为研究跨区域航海贸易，特别是商品构成、贸易规模以及航运路线等提供了新材料和方法。多艘沉船的船货中有大量的铁条，为研究铁器贸易提供了证据（见表4）。
表4 古代沉船出水铁器信息
从沉船和铁器船货信息表可以发现，共有8艘沉船上装载有铁条船货，铁条应该是一种非常重要的船货商品。
通过比较研究后可以推断，“南海I号”沉船的铁条与爪哇海沉船的铁条属于一类铁器，并非早前一些研究者所认为的铁钉等产品，而是用于制作刀器的半成品坯件。根据刀的尺寸和形制，这种刀不应该是专门用于军事的武器类刀具，更可能是日常生活中所使用的刀具，同时兼具一些特殊时期的防身功能，如帕兰砍刀。武器是禁运船货，但刀器具有类似武器的属性，刀器只能制成铁条半成品原料输出，半成品可以逃避官方的监管，同时制作几把刀的成品作为标准器，而木材在出口地不是短缺原料，因此也只制作了少量木质刀柄作为标准器，铁条运输到出口地，工匠根据标准器进行刀的生产。铁器制造是一种非常复杂的金属技术，因此同样可能存在制刀技术的输出，进而推断在海上丝绸之路贸易过程中既有铁器贸易，同时也存在金属技术的传播与交流。
结语
（1）通过对比铁锅的金相组织和化学成分，可以判定铁锅生产的熔炼过程中使用了煤作为燃料铸造而成，铁锅材质为白口铁。
（2）铁条采用了铸后热锻工艺，熔炼过程中使用了煤作为燃料，材质为亚共析钢。当时的工匠已经掌握了先进的铁器生产技术，可以有意识地根据铁器的使用要求控制铁器成分，通过热处理工艺控制钢的组织，从而满足铁器的使用性能。
（3）通过比较研究，可以推断“南海I号”沉船的铁条与爪哇海沉船的铁条属于一类铁器，并非早前认为的铁钉等，而是用于制作刀的半成品坯件，这种刀不应该是专门用于军事的武器刀，应该是用于平常生活使用的刀，同时兼具日常的防身功能，类似于帕兰砍刀，“南海I号”发现的完整刀也与这种刀的形制相似。
（4）铁条运输到出口地，工匠根据标准器进行刀的生产。铁器制造是一种非常复杂的金属技术，因此同样可能存在制刀技术的输出，进而推断在海上丝绸之路的贸易过程中既有铁器贸易，同时也可能存在金属技术的传播与交流。
Ship-borne Iron Artefacts from Nanhai I Shipwreck and Related Issues
Xi Guanglan，Wan Xin，Lin Tangou
Abstract：The discovery in 1987 and excavation in 2007 of the Nanhai I or South China Sea I wreck off the coast of Yangjiang，240 kilometers southwest of Guangzhou，offers new data for contextualizing the long-distance Chinese maritime trade in the Song Dynasty. The number of the ship-borne iron goods is enormous，which is less than the ceramics on board. The iron artefact was also one of the essential cargoes at that time. The types of the ship-borne iron artefacts are elementary，like the iron bar and the iron wok（pan）. The bars are more than the woks. Through scientific analysis and inspection of the ship-borne iron artefacts，it can be seen that the material of the iron wok is white iron and cast；the material of the iron bar is hypereutectoid steel，and the hot forging process after casting is adopted，with the fuel of coal in the smelting process. Comparing the iron artefacts with the ones from some other shipwrecks，it indicates that the iron bars，as semi-finished products，were used for manufacturing knives，which are not likely to be weapon ones specifically for the military，but for the use in everyday life or daily self-defense. This research provides valuable information and clues for the exploration of the mining and metallurgy industry of iron and the metal trade in the Song Dynasty. It also provides reliable evidence for the studies on the related issues to the trade of iron and the spread of the Chinese metallurgy on the Maritime Silk Road.
Keywords：Archaeometallurgy；Nanhai I；Ship-borne Iron Artefact；Iron Bar；Iron Wok；Palan Chopper
（执行编辑：杨芹）
[1]作者席光兰系北京科技大学科技史与文化遗产研究院博士研究生、国家文物局水下文化遗产保护中心文博馆员；万鑫系国家文物局水下文化遗产保护中心助理馆员；林唐欧系广东海上丝绸之路博物馆文博馆员。
[2]李庆新：《南宋海外贸易中的外销瓷、钱币、金属制品及其他问题——基于“南海Ⅰ号”沉船出水遗物的初步考察》，《学术月刊》2012年第9期。
[3]李庆新：《南宋海外贸易中的外销瓷、钱币、金属制品及其他问题——基于“南海Ⅰ号”沉船出水遗物的初步考察》。
[4]国家文物局水下文化遗产保护中心等编著《“南海I号”沉船考古报告之二——2014～2015年发掘》，文物出版社，2017，第109～110页。
[5]余永宁：《金属学原理》，冶金工业出版社，2000，第106～108页。
[6]华山：《宋代的矿业工业》，《山东大学学报》1959年第2期。
[7]陈衍德：《宋代福建矿冶业》，《福建论坛》1983年第2期。
[8]李自立：《宋代矿冶业研究》，郑州大学硕士学位论文，2000。
[9]《宋会要辑稿》食货33之4，中华书局，1957，第5376页。
[10]胡维佳：《中国科学技术史纲·技术卷》，辽宁教育出版社，1985，第289页。
[11]胡维佳：《中国科学技术史纲·技术卷》，第289页。
[12]中国冶金史编写组：《我国古代炼铁技术》，《化学通报》1978年第2期。
[13]杨菊、李延祥、赵福生等：《北京昌平马刨泉长城戍所遗址出土铁器的实验研究——兼论炒钢工艺的一种判据》，《中国科技史杂志》2014年第2期。
[14]柯俊、吴坤仪、韩汝玢等：《河南古代一批铁器的初步研究》，《中原文物》1993年第1期。
[15]黄维：《从宋代铁钱探讨用煤炼铁》，北京科技大学硕士学位论文，2006。
[16]国家文物局水下文化遗产保护中心等编著《“南海I号”沉船考古报告之二——2014～2015年发掘》，第494～500页。
[17]国家文物局水下文化遗产保护中心等编著《“南海I号”沉船考古报告之二——2014～2015年发掘》，第514～516页。
[18]William M.Mathers and Michael Flecker，Archaeological Report：Archaeological Recovery of the Java Sea Wreck，Pacific Sea Resource，1997，pp.66-67.
[19]陈高华、吴泰：《宋元时期的海外贸易》，天津人民出版社，1981，第54～55页。